固态电池：下一代动力电池方向的难点与突破
固态电池：下一代动力电池方向的难点与突破
随着新能源汽车的快速发展，动力电池技术的迭代升级成为关键。固态电池作为下一代动力电池的重要方向，具有高能量密度、高安全性等优势，但目前仍面临技术路线不明确、产业化难度大等问题。本文将深入探讨固态电池的发展现状、产业化难点及应对措施。
固态电池发展现状
固态电池是锂离子电池未来重要的演进方向，具备高能量密度、高电压窗口、高安全性等优势。随着电动汽车效率的不断增加，传统液态锂电池在安全性、能量密度等方面问题日益凸显，固态锂电池或成为后锂时代发展的必经之路。
在能量密度方面，固态电池没有电解液和隔膜，质量大幅度减少，能量密度可达800Wh/kg，甚至更高，远远超过目前性能最好的液态锂离子电池300Wh/kg的能量密度。在适用电压方面，相对于电解液，固态电解质不参与化学反应，可选择电压差更大的正负极材料，适用充电电压范围更广，具有高电压性。在安全性方面，固态电解质具有不可燃性、适用温度窗口宽、无腐蚀性、挥发性弱等特点，安全可靠性高。
固态电池仍处于研发阶段，以电解质材料为核心的多种技术路线尚未统一。近年来，固态电池已经成为全球范围内研究的焦点，但是固态电池的诸多关键技术路线尚处于探索阶段，技术路径呈多元化发展趋势。在技术路线方面，作为全固态体系的关键核心材料，电解质材料目前主要有聚合物、硫化物和氧化物三种技术路线。这几种材料的固态电池均存在局限性，氧化物固态电池难以研制大容量动力或储能电池；聚合物固态电池则受限于现有聚氧化乙烯材料体系，无法在常温下工作且难以兼容高电压正极；硫化物固态电池则面临电解质对空气敏感、制造条件苛刻、原材料昂贵、规模化生产技术不成熟等技术难题。
在技术路线选择方面，日韩企业多采用硫化物固态电解质技术路线，而中国企业多以氧化物、聚合物的技术路线为主，欧美企业选择则呈多样化，如宝马与福特投资的美国电池公司Solid Power 主要研发基于硫化物的全固体电池，而另一家美国电池公司Quantum Scape（QS） 研发的固态电池走的是氧化物路线。
欧美日韩扭转航向抢先布局，意图换道超车。在全球动力电池竞争格局上， 中、日、韩三国一直处于“ 混战”。不过， 随着全球新能源汽车产业链的不断变化，中国企业在液态锂电池为主的全球动力电池市场中已有“ 独占鳌头” 之势。为扭转在动力电池领域的“ 陪跑者” 角色， 欧美日韩都在加大固态动力电池的布局力度， 均已制定了国家战略， 加大政府和民间的投入力度， 并且组建跨行业的产业联盟， 意在新一代动力电池领域抢占制高点。在国家层面， 在2020 年， 欧洲支持了“2030 电池创新路线图”，美国制定了“ 美国锂电池2021—2030 国家发展蓝图”， 日本制定了第三期的“ 电动汽车创新电池开发” 的项目， 特别是还支持了以丰田为核心牵头单位的针对电动汽车的全固态电池的研发项目，韩国也发布了“2030 二次电 池产业发展战略”。在企业层面， 目前全球范围内致力于固态电池技术研发和应用的车企、动力电池公司有几十余家，其中包括丰田、大众、宝马、福特等一系列全球巨头级车企都曾纷纷发表关于加快固态电池商用化的推进速度。
新技术产业化的难点
固态电池产业化发展需经历X个阶段。尽管固态电池受到了空前的关注和高强度的研发， 但依然存在着很多技术难题， 全固态体系的电解质材料研究目前尚处于探索阶段， 技术尚未成熟， 短期内难以实现大规模的商业化。根据电解质中电解液的含量， 可以分为液态、半固态（ 电解液含量＜ 10%）、准固态（ 电解液含量＜ 5%）、全固态（不含有电解液）四大类， 后三种通常被统称为固态电池。从量产的可实现性而言，全固态电池或许无法一蹴而就，而是要经过“ 半固态— 准固态—全固态” 的逐步迭代方能实现。目前， 在技术、工艺方面比较成熟的前提下， 半固态电池是可以快速实现产业化的方案。技术成熟度和适用性仍需进一步提高。在技术成熟度方面， 从固态电池技术路径角度分析， 无论是目前技术最为成熟的聚合物路线还是更具发展潜力的硫化物路线， 技术和成本 仍是阻碍固态电池商业化进程的核心因素。固态电池技术目前仍处在成熟技术到产业化的过渡阶段， 即技术推广与规模化生产验证阶段， 初步预计到2025 年前后，固态电池技术将实现商业化， 并开始逐渐向下一代锂电池迈进。在适用性方面，相较于现有的液态电池体系，尽管固态电池体系有诸多无法比拟的优势， 但是固态电解质的离子导电率较低、充电速度慢、固—固界面接触性和稳定性差、电解质材料敏感性等问题亟待解决，适用性仍需提高。
尚不具备成熟的产业化条件。固态电池相比现有成熟的液态锂电池技术变更巨大， 需重塑本就极其复杂的锂电池供应链， 任重道远。一方面，制造工艺复杂，生产工艺不成熟。由于技术路线不确定，固态电池的生产工艺，难以做到像现有三元锂电池那样成熟。另一方面，制造成本偏高。全固态电池的制造工艺复杂，且固态电池采用固态电解质等新科技材料生产成本远高于目前对应的材料，降本之路极其艰巨漫长。另外，对于电池材料体系的研究，试验室结果与商业化应用相隔甚远。现阶段，实际落地经过测试的固态电池屈指可数， 以现有的工艺水平和设备能力，成品的良率也无法保障，远未达到大规模量产阶段。
措施建议
加强研发攻关能力，聚力突破固态电池技术瓶颈。一是制定发展行动计划、路线图、时间表。根据“十四五”动力电池技术路线图（《节能与新能源汽车技术路线图2.0》）的规划，围绕 2025 年、2030 年、2035 年这三个关键时间节点，针对不同技术路线进行技术评估，制定固态电池技术开发全景图。二是以国家重大科技专项等为抓手， 支持固态电池前沿技术研发。围绕有关基础研究、关键技术攻关，以及产业化培育等环 节科学布局，以重点研发计划、地方政府重点科技项目、产学研合作项目等为抓手，积极推动前沿技术研发。三是建设固态电池国家级制造业创新中心，突破行业共性技术，助力产业跨越实验室到产业化鸿沟。联合国家重点实验室、国家动力电池创新中心等力量，公众号动力电池bms 逐步构建稳固的固态电池研发基础，全方位打通产业化道路。
培育典型应用示范，营造开放生态加速产品落地。一是在新能源汽车领域逐步试点半固态电池、准固态电池，为过渡到全固态电池打好应用基础。在技术路线尚不明确的产业发展背景下，聚焦固态电池多元化技术路线，全力向全固态电池商业化努力，以保持我国动力电池行业的领先和产业持续发展。二是围绕固态电池，优化电源管理系统、电力电子器件等配套产业，打造完备的产业链。调研梳理产业链技术发展现状， 加强支持和指导、产学研合作、上下游合作和市场化产业链建设，形成关键核心技术攻关合力，加强全产业链建设，提升产业整体竞争力。三是探索首批次首台（套）金融支持手段，为创新试点固态电池的整车企业分摊风险，提升意愿。积极促进金融与产业深度融合，强化对固态电池领域的金融服务保障，构建完善的科技金融服务体系，更好发挥金融对固态电池产业生态的支撑作用。
深化对外开放合作，强化产业链要素支撑与协同。一是建立业内企业国内外交流机制，扩大开放合作力度。鼓励国内外多家固态电池企业、研究机构等建立合作关系，以技术培训、观摩学习和座谈研讨等方式共同开展技术交流，攻克固态电池开发难点。二是产业链链主整合资源，促进产业链协同，提升产业链成熟度。发挥新型举国体制优势，整合创新资源，加快要素聚集，促进产业链创新链深度融合。三是制定标准完善检测认证，为行业树立统一规范。我国应尽快完善顶层设计，对电池尺寸、性能测试、安全指标等内容开展标准化工作，并引导鼓励企业加强固态电池标准的国际交流与合作，参与国际标准制定过程，逐步搭建起完善的高标准体系，以推动产业化和商业化应用的快速发展。
本文原文来自搜狐